本發(fā)明涉及機(jī)電控制技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種永磁同步電機(jī)速度控制方法。

背景技術(shù)：

永磁同步電機(jī)因其功率因素高、轉(zhuǎn)矩電流比高、結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、體積小、重量輕、維護(hù)簡單等優(yōu)點，其已被廣泛應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)、航空航天、工業(yè)機(jī)器人等行業(yè)。交流伺服電機(jī)速度控制的穩(wěn)態(tài)精度和快速且無超調(diào)的動態(tài)性能是當(dāng)今研究的難點之一。目前交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)一般采用PI調(diào)節(jié)器(比例-積分調(diào)節(jié)器)。由于受逆變器容量，電機(jī)額定功率等因素的限制，速度環(huán)的輸出將被限制在最大電流值。若給定較大的速度階躍指令時，此時PI調(diào)節(jié)器輸出達(dá)到了限幅值，而PI調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)仍在進(jìn)行累加，直到出現(xiàn)超調(diào)時，積分環(huán)節(jié)才會減小，這導(dǎo)致了控制性能的變差。這種PI調(diào)節(jié)器的輸出和限幅環(huán)節(jié)的輸出不相等的現(xiàn)象稱為windup現(xiàn)象。

常見的抗windup的方法有積分分離法和反計算法。積分分離法是根據(jù)PI調(diào)節(jié)器的輸出和限幅環(huán)節(jié)的輸出是否相等來限制積分環(huán)節(jié)。此方法實現(xiàn)簡單，不需要加入額外的參數(shù)，但是缺乏魯棒性，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生改變時，原有的參數(shù)可能會導(dǎo)致新的系統(tǒng)不穩(wěn)定。反計算法通過PI調(diào)節(jié)器的輸出和限幅環(huán)節(jié)的輸出之差構(gòu)成反饋之路來減小PI調(diào)節(jié)器的飽和深度，但是該方法的性能不僅取決于PI參數(shù)的選取，還取決于反計算參數(shù)Kc的選取。傳統(tǒng)的反計算法Kc保持不變，容易造成在某個階躍轉(zhuǎn)速指令下具有很好的控制性能，而當(dāng)階躍轉(zhuǎn)速發(fā)生改變時，控制性能變得很差。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種永磁同步電機(jī)速度控制中抗積分飽和的方法，可以實現(xiàn)速度環(huán)快速且無超調(diào)的響應(yīng)，且實現(xiàn)簡單。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種永磁同步電機(jī)速度控制方法，其特包括如下具體步驟：

步驟1：通過位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子實際位置θ和實際的機(jī)械角速度ω_r；

步驟2：將期望的機(jī)械角速度ω_r^*和實際的機(jī)械角速度ω_r的轉(zhuǎn)速偏差e作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，獲得PI調(diào)節(jié)器的輸出值和限幅環(huán)節(jié)的輸出值；

步驟3：根據(jù)所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值和限幅環(huán)節(jié)的輸出值確定PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)；

步驟4：當(dāng)PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)時，將所述PI調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)的輸出值和積分環(huán)節(jié)的輸出值之和作為PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)的輸出值；

步驟5：當(dāng)PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時，取消PI調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)，將PI調(diào)節(jié)器的輸出值與限幅環(huán)節(jié)的輸出值之差進(jìn)行積分作為PI調(diào)節(jié)器退出非線性區(qū)進(jìn)入線性區(qū)時的積分初始值；

步驟6：在所述PI調(diào)節(jié)器退出飽和時，所述PI調(diào)節(jié)器的比例環(huán)節(jié)的輸出值與所述積分初始值之和作為PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時的輸出值。

其中，步驟3包括：

當(dāng)所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值和限幅環(huán)節(jié)的輸出值相等時，確定PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)；

當(dāng)所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值和限幅環(huán)節(jié)的輸出值不相等時，確定PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)。

其中，步驟5中，所述積分初始值如下計算：

其中，為所述積分初始值，k_a為預(yù)定偏差增益值，t為PI調(diào)節(jié)器在非線性區(qū)時的時間，u_n和u_s分別為所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值和限幅環(huán)節(jié)的輸出值。

其中，步驟4中所述PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)時，所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值表示為如下算式：

式中，K_pv為速度環(huán)比例增益，K_iv為速度環(huán)積分增益，e(k)為第k個離散周期的轉(zhuǎn)速誤差，e(j)為第j個離散周期的轉(zhuǎn)速誤差，j的取值范圍為從0到k，k為離散周期的總周期數(shù)。

其中，所述PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)時的運動方程如下：

其中，ω_r為電機(jī)轉(zhuǎn)子實際的機(jī)械角速度；B為摩擦系數(shù)，k_T為力矩常數(shù)，T_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

其中，步驟6中所述PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時，所述PI調(diào)節(jié)器的輸出值如下表示：

其中，K_pv為速度環(huán)比例增益，e(k)為轉(zhuǎn)速誤差偏差，為所述積分初始值。

其中，所述PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時的運動方程如下：

其中，ω_r為電機(jī)轉(zhuǎn)子實際的機(jī)械角速度；B為摩擦系數(shù)，k_T為力矩常數(shù)，T_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，ω_r大于零時，U等于電機(jī)的最大電流值；ω_r小于零時，U等于電機(jī)的最小電流值。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)抗積分飽和環(huán)節(jié)在原PI控制器的基礎(chǔ)上進(jìn)行更改，不需要復(fù)雜的算法，結(jié)構(gòu)簡單，易于工程實現(xiàn)。

(2)本發(fā)明充分利用了積分初值，將飽和深度維持在一個較淺的狀態(tài)，并加快了退出飽和速度響應(yīng)。

(3)本發(fā)明可以實現(xiàn)交流伺服系統(tǒng)速度環(huán)快速且無超調(diào)的響應(yīng)，且具有良好的穩(wěn)態(tài)精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的抗積分飽和速度控制的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的限幅環(huán)節(jié)示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下新型抗積分飽和PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器和積分分離PI控制器速度階躍響應(yīng)實驗結(jié)果對比示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩下新型抗積分飽和PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器和積分分離PI控制器速度階躍響應(yīng)實驗結(jié)果對比示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例提供的一種永磁同步電機(jī)速度控制中抗積分飽和的方法進(jìn)行詳細(xì)描述。本例實施于永磁同步電機(jī)速度控制中，采用雙閉環(huán)控制，內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，外環(huán)為速度環(huán)。

電流環(huán)帶寬一般遠(yuǎn)高于速度環(huán)，因此進(jìn)行速度環(huán)分析設(shè)計時，可將電流環(huán)等效為一個常數(shù)為1的放大環(huán)節(jié)。本發(fā)明抗積分飽和速度控制的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種抗積分飽和的方法，用于永磁同步電機(jī)的速度控制，速度閉環(huán)的目的保證速度響應(yīng)的快速性和穩(wěn)定性。

本發(fā)明提出了一種永磁同步電機(jī)的速度控制方法，包括：

步驟1：通過位置傳感器獲得永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子實際位置θ和實際的機(jī)械角速度ω_r。

一般交流伺服系統(tǒng)的運動方程如下式：

其中J為電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量，ω_r為轉(zhuǎn)子機(jī)械轉(zhuǎn)速，B為摩擦系數(shù)，k_T為力矩常數(shù)，u_s為限幅環(huán)節(jié)的輸出，T_L為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。

步驟1所述的實際機(jī)械角速度ω_r通過M法測速獲得。具體的測速方法如下式：

其中p為永磁同步電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈的脈沖個數(shù)，m₁為在規(guī)定時間T_g內(nèi)測得的脈沖個數(shù)。這里T_g的單位為秒。

步驟2：將期望的機(jī)械角速度ω_r和實際的機(jī)械角速度ω_r的轉(zhuǎn)速誤差e作為PI調(diào)節(jié)器的輸入，判斷PI調(diào)節(jié)器的輸出u_n(PI調(diào)節(jié)器的輸出為電流值)和限幅環(huán)節(jié)的輸出u_s(限幅環(huán)節(jié)的輸出為電流環(huán)給定值)。

步驟2中所述的轉(zhuǎn)速偏差e可以表示為：

e＝ω_r^*-ω_r

步驟2中所述的限幅環(huán)節(jié)的輸入等于PI調(diào)節(jié)器的輸出，限幅環(huán)節(jié)可以表示為：

其中U_h為永磁同步電機(jī)的最大電流值，U_l為永磁同步電機(jī)的最小電流值。

步驟3：若u_n等于u_s，則PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)，PI調(diào)節(jié)器的輸出u_n為比例環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)之和；

所述步驟3中的PI調(diào)節(jié)器的輸出u_n可以表示為：

U_p＝K_pve(k)

式中K_pv為速度環(huán)比例增益，K_iv為速度環(huán)積分增益，轉(zhuǎn)速誤差可以表示為具有k個離散周期的離散形式，e(k)為第k個離散周期的轉(zhuǎn)速誤差， e(j)為第j個離散周期的轉(zhuǎn)速誤差，j的取值范圍為從0到k，k為離散周期的總周期數(shù)，U_p為比例環(huán)節(jié)的輸出，U_i為積分環(huán)節(jié)的輸出。

利用步驟1中的電機(jī)運動方程，可以得到PI調(diào)節(jié)器工作在線性區(qū)的運動方程為：

步驟4：若u_n不等于u_s，則PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)，PI調(diào)節(jié)器取消積分環(huán)節(jié)，將u_n與u_s之差通過增益后進(jìn)行積分，得到PI調(diào)節(jié)器退出非線性區(qū)進(jìn)入線性區(qū)時的積分初始值

所述步驟4中積分值可以表示為：

其中k_a為預(yù)定偏差增益值，t為PI調(diào)節(jié)器在非線性區(qū)時的時間。

步驟5：將轉(zhuǎn)速誤差e乘以比例增益作為比例環(huán)節(jié)，將比例環(huán)節(jié)和步驟4所述的積分值相加，作為PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時的輸出u_n。

步驟5中所述的PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)時的輸出u_n可以表示為：

利用步驟2中的限幅環(huán)節(jié)和步驟1中的電機(jī)運動方程，可以得到PI調(diào)節(jié)器工作在非線性區(qū)的運動方程為：

其中ω_r大于零時，U等于U_h；ω_r小于零時，U等于U_l。

本發(fā)明通過是上述方法，在PI調(diào)節(jié)器發(fā)生飽和時，即工作在非線性區(qū)時，取消原有積分環(huán)節(jié)，將PI調(diào)節(jié)器的輸出u_n和限幅環(huán)節(jié)的輸出u_s之差按照一定增益積分。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器退出飽和時，積分部分具有一定的積分初值。這種方法能有效地抑制積分飽和現(xiàn)象，實現(xiàn)永磁同步電機(jī)速度控制快速且無超調(diào)的優(yōu)越特性。本發(fā)明可以應(yīng)用于各種功率的永磁同步電機(jī)速度閉環(huán)控制。

圖3為本發(fā)明實施例提供的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下新型抗積分飽和PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器和積分分離PI控制器速度階躍響應(yīng)實驗結(jié)果對比示意圖。參照圖3，轉(zhuǎn)矩負(fù)載為1Nm，速度階躍指令為1500r/min，其中曲線1為傳統(tǒng)PI控制器速度響應(yīng)曲線，曲線2為積分分離PI控制器速度響應(yīng)曲線，曲線3為新型抗積分飽和PI控制器速度響應(yīng)曲線。

圖4為本發(fā)明實施例提供的突加負(fù)載轉(zhuǎn)矩下新型抗積分飽和PI控制器與傳統(tǒng)PI控制器和積分分離PI控制器速度階躍響應(yīng)實驗結(jié)果對比示意圖。參照圖4，啟動時轉(zhuǎn)矩負(fù)載為1Nm，速度階躍指令為1500r/min，在0.05s突加3Nm的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，其中曲線1傳統(tǒng)PI控制器速度響應(yīng)曲線，曲線2為積分分離PI控制器速度響應(yīng)曲線，曲線3為新型抗積分飽和PI控制器速度響應(yīng)曲線。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。